數(shù)字電視系統(tǒng)概述第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么叫數(shù)字電視？其關(guān)鍵技術(shù)是什么？

數(shù)字電視是從節(jié)目采集、編輯制作到信號的發(fā)送、傳輸和接收全部采用數(shù)字處理的全新電視系統(tǒng)。真正的數(shù)字電視必須使用下面三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：(1)對電視圖像及伴音進(jìn)行壓縮編碼的技術(shù)。將模擬電視信號數(shù)字化后其數(shù)碼率很高，例如，對圖像亮度信號與色差信號分別用13.5MHz及6.75MHz取樣頻率進(jìn)行取樣，用10位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，其數(shù)碼率達(dá)270Mb/s。而一個(gè)頻帶寬為8MHz模擬電視信道若只使用二進(jìn)制調(diào)制方法只能傳送小于16Mb/s的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。因此必須想法去除圖像信號中的多余信息，將數(shù)碼率從270Mb/s壓縮到能在一個(gè)信道中傳送。這可采用圖像與伴音的壓縮編碼方法實(shí)現(xiàn)。國際組織已經(jīng)制定了許多壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)，對圖像進(jìn)行壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)有JPEG第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么叫數(shù)字電視？其關(guān)鍵技術(shù)是什么？（續(xù)）（靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)）、MPEG-2（運(yùn)動圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)）等。對伴音進(jìn)行壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG伴音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)、AC-3等。(2)糾錯(cuò)編碼等信道編碼技術(shù)。為了提高數(shù)字電視傳輸?shù)目煽啃裕仨殞?shù)據(jù)碼流進(jìn)行糾錯(cuò)編碼。糾錯(cuò)編碼的方法很多，如里德－所羅門碼、卷積碼、交織、格狀編碼調(diào)制等。(3)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)。為了提高傳輸?shù)念l帶利用率，可以采用多進(jìn)制調(diào)制方法。如QPSK（四相相移鍵控）、QAM（正交幅度調(diào)制）、VSB（殘留邊帶調(diào)制）等。第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么叫模擬電視信號？模擬電視信號是指信號在時(shí)間上是連續(xù)的，信號的幅度（電壓或電流）變化也是連續(xù)的電視信號。例如攝像機(jī)輸出的亮度信號Y是一個(gè)模擬電視信號，即它是個(gè)用模擬量電壓或電流來表示的信號。若亮度信號電壓高時(shí)表示圖像亮，若亮度信號電壓低時(shí)圖像就暗。用電壓或電流的高低來表示電視圖像的亮暗的電視信號稱為模擬電視信號。第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視與模擬電視比較有哪些優(yōu)點(diǎn)？采用諸多先進(jìn)技術(shù)后的真正的數(shù)字電視比以三大制式為代表的模擬電視有著突出的優(yōu)點(diǎn)。主要的優(yōu)點(diǎn)是：（1）在一個(gè)8MHz寬帶的模擬頻道內(nèi)原來只能傳送一個(gè)普通的模擬電視節(jié)目，采用數(shù)字電視后在原來一個(gè)模擬頻道內(nèi)可傳送DVD質(zhì)量的節(jié)目5至6個(gè)，每一個(gè)節(jié)目的質(zhì)量要比模擬電視節(jié)目的質(zhì)量高。或可以傳送高清晰電視（HDTV）質(zhì)量的節(jié)目1個(gè)或2個(gè)。電視頻道的利用率大大提高。我國頻道電視頻道68個(gè)（不計(jì)增補(bǔ)頻道），原來只能傳68個(gè)電視節(jié)目，采用數(shù)字電視后就可以傳輸DVD質(zhì)量的節(jié)目340至408個(gè)。第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視與模擬電視比較有哪些優(yōu)點(diǎn)？（續(xù)）（2）電視節(jié)目傳輸?shù)目煽啃约半娨暪?jié)目質(zhì)量均大為提高。在電視覆蓋范圍（如半徑40公里范圍）內(nèi)，接收到的圖像質(zhì)量與演播室圖像質(zhì)量相當(dāng)。（3）在同樣的覆蓋范圍內(nèi)，數(shù)字電視的發(fā)射功率要比模擬電視的發(fā)射功率小一個(gè)數(shù)量級。（4）可以實(shí)現(xiàn)移動接收、便攜接收及各種數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播等各種互動電視業(yè)務(wù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)加密和解密，從而實(shí)現(xiàn)通信地隱秘性及收費(fèi)業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)等的互通互連。第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五典型的數(shù)字電視系統(tǒng)示意圖第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五為什么要進(jìn)行電視圖像的壓縮編碼？什么是MPEG壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)？在數(shù)字電視的關(guān)鍵技術(shù)中，我們已經(jīng)了解到標(biāo)準(zhǔn)清晰電視圖像數(shù)字化后其數(shù)碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頻道的數(shù)碼率，如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，不可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。電視圖像壓縮編碼的方法很多，其主要原理即為圖像內(nèi)相鄰象素間、相鄰行間及相鄰幀間所具有的冗余度。國際組織制訂了許多電視圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，用得最多得是運(yùn)動圖像壓縮編碼MPEG標(biāo)準(zhǔn)。MPEG標(biāo)準(zhǔn)得視頻壓縮編碼技術(shù)主要利用了具有運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膸g壓縮編碼技術(shù)以減小時(shí)間冗余度，利用DCT技術(shù)以減小圖像的空間冗余度，利用熵編碼則在信息表示方面減小了統(tǒng)計(jì)冗余度。這幾種技術(shù)的綜合運(yùn)用，大大增強(qiáng)了壓縮性能。第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么是MPEG壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)？（續(xù)）MPEG是活動圖像專家組（MovingPictureExpertGroup）的縮寫。MPEG標(biāo)準(zhǔn)主要有5個(gè)，即：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21。

MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)于1992年正式出版，其標(biāo)題為“碼率約為1.5Mb/s用于數(shù)字存儲媒體活動圖像及其伴音的編碼”。

MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)于1994年公布，標(biāo)準(zhǔn)希望囊括數(shù)字電視、圖像通信各個(gè)領(lǐng)域的編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2按壓縮比大小的不同分成5個(gè)檔次，每個(gè)檔次按圖像清晰度又分為4個(gè)級別。

MPEG-4是基于內(nèi)容的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-7是“多媒體內(nèi)容描述接口標(biāo)準(zhǔn)”。

MPEG-21是有關(guān)多媒體框架的協(xié)議。

第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么是電視音頻的壓縮編碼？電視音頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn)有幾種？音頻信號經(jīng)過采樣得到的數(shù)字信號碼率很高，直接傳輸將占有很多帶寬，所以需要對它進(jìn)行壓縮。現(xiàn)在的數(shù)字電視中主要有三種壓縮標(biāo)準(zhǔn)，即MPEG、DolbyAC-3及AAC。MPEG-1可以支持立體聲格式，MPEG-2、AC-3和AAC則可以支持多達(dá)6個(gè)聲道（5.1聲道），即左、右、中、左環(huán)繞、右環(huán)繞和超低音。第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么是數(shù)字電視的信道編碼？ 信道編碼是數(shù)字電視的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字電視的信道也就是數(shù)字電視信號傳輸?shù)耐ǖ溃话阌械孛鎻V播信道、有線電視傳輸信道和衛(wèi)星廣播信道等幾種。由于信道，尤其是無線信道中存在著各種干擾，如多經(jīng)、衰落等，數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)會造成失真和損失，從而在接收端，有些數(shù)據(jù)無法恢復(fù)，形成誤碼。為使數(shù)據(jù)在通道中可靠傳輸，盡量降低誤碼率，往往在發(fā)送端，采用編碼技術(shù)，在傳送的數(shù)據(jù)中以受控的方式引入冗余。而在接收端通過相應(yīng)的解碼，從冗余傳輸?shù)男畔⒅谢謴?fù)出由信道損失的數(shù)據(jù)，從而降低誤碼率，提高數(shù)據(jù)在信道中的抗干擾能力。 第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么是數(shù)字電視的信道編碼？（續(xù)） 數(shù)字電視常用的信道編碼方法有RS碼、卷積碼、TCM編碼以及交織等。一些新的編碼方法，如Turbo碼，也正在研究應(yīng)用中。 目前，數(shù)字電視傳輸一般采用外碼加內(nèi)碼級聯(lián)的信道編碼方式，而且不同的調(diào)制方式采用不同的信道編碼方法。如ATSC（VSB）采用RS作外碼，再交織，然后是TCM編碼調(diào)制；而DVB（COFDM）采用RS作外碼，再交織，然后是卷積編碼作為內(nèi)碼。第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視中的調(diào)制技術(shù) 數(shù)字調(diào)制技術(shù)也是數(shù)字電視的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)字調(diào)制中，由時(shí)間上離散和幅度上離散的數(shù)字信號改變載波信號的某個(gè)參量，載波信號作相應(yīng)的離散變化，被認(rèn)為是受到鍵控的，所以數(shù)字調(diào)制信號也稱為鍵控信號，高頻載波可受到幅移鍵控ASK（AmplitudeShiftKeying）、頻移鍵控FSK（FrequencyShiftKeying）或相移鍵控PSK（PhaseShiftKeying）。這三種調(diào)制方式對應(yīng)于模擬調(diào)制中的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。 數(shù)字調(diào)制中，典型的調(diào)制信號是二進(jìn)制的數(shù)字值。高頻載波的調(diào)制效率可以用每赫（Hz）已調(diào)波帶寬內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)碼率來標(biāo)記。 幾種典型的調(diào)制技術(shù)QAM、QPSK、TCM、COFDM和VSB等第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五什么叫數(shù)字電視制式？ 數(shù)字電視制式是指數(shù)字電視采用的視音頻采樣、壓縮格式、傳輸方式和服務(wù)信息格式等的規(guī)定。目前主要存在3種比較成熟的制式，即美國的ATSC（先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會）制式，歐洲的DVB（數(shù)字視頻廣播）制式和日本的ISDB（綜合服務(wù)數(shù)字廣播）制式。對其中的每一種制式，又可以分為衛(wèi)星傳輸、電纜傳輸和地面?zhèn)鬏?種不同的方式。無論哪一種制式，它們的視頻壓縮技術(shù)都采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，但是由于美國和歐洲等在模擬電視的制式的差別，為了兼容性，它們的視頻采樣格式也存在差別，主要體現(xiàn)在行和列的分辨率及場頻等。在數(shù)字電視信號的傳輸中，衛(wèi)星傳輸一般采用QPSK調(diào)制技術(shù)，電纜傳輸一般采用QAM調(diào)制技術(shù)，但地面?zhèn)鬏敳捎玫募夹g(shù)則在不同的制式中存在很大的差別。服務(wù)信息是指在數(shù)字電視中開展增值服務(wù)所用的數(shù)據(jù)第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的構(gòu)成 上圖是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)方框圖。該系統(tǒng)由信源編碼、多路復(fù)用、信道編碼、調(diào)制、信道和接收機(jī)等六部分組成。下面將分別對這幾個(gè)方面進(jìn)行一些介紹。第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五信源編碼

信源編碼首先將輸入的圖像和伴音信號經(jīng)A/D變換后變成適合數(shù)字系統(tǒng)處理和傳輸?shù)臄?shù)字信號，接著將數(shù)字信號按信息的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行變換，以減少信號的冗余度，提高信號傳輸?shù)男剩丛诒ＷC傳輸質(zhì)量的前提下，用盡可能少的數(shù)字信號來表示信息。信源編碼是壓縮信號帶寬的編碼，壓縮后單位時(shí)間、單位頻帶內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘繉⒃龃蟆５?6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五視頻壓縮的基本原理視頻信號壓縮的可能性

視頻數(shù)據(jù)中存在著大量的冗余，即圖像的各像素?cái)?shù)據(jù)之間存在極強(qiáng)的相關(guān)性。利用這些相關(guān)性，一部分像素的數(shù)據(jù)可以由另一部分像素的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來，結(jié)果視頻數(shù)據(jù)量能極大地壓縮，有利于傳輸和存儲。視頻數(shù)據(jù)主要存在以下形式的冗余。第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五1.空間冗余視頻圖像在水平方向相鄰像素之間、垂直方向相鄰像素之間的變化一般都很小，存在著極強(qiáng)的空間相關(guān)性。特別是同一景物各點(diǎn)的灰度和顏色之間往往存在著空間連貫性，從而產(chǎn)生了空間冗余，常稱為幀內(nèi)相關(guān)性。第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五2.時(shí)間冗余

在相鄰場或相鄰幀的對應(yīng)像素之間，亮度和色度信息存在著極強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)前幀圖像往往具有與前、后兩幀圖像相同的背景和移動物體，只不過移動物體所在的空間位置略有不同，對大多數(shù)像素來說，亮度和色度信息是基本相同的，稱為幀間相關(guān)性或時(shí)間相關(guān)性。第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3.結(jié)構(gòu)冗余在有些圖像的紋理區(qū)，圖像的像素值存在著明顯的分布模式。如方格狀的地板圖案等。已知分布模式，可以通過某一過程生成圖像，稱為結(jié)構(gòu)冗余。4.知識冗余有些圖像與某些知識有相當(dāng)大的相關(guān)性。如人臉的圖像有固定的結(jié)構(gòu)，嘴的上方有鼻子，鼻子的上方有眼睛，鼻子位于臉部圖像的中線上。這類規(guī)律性的結(jié)構(gòu)可由先驗(yàn)知識得到，此類冗余稱為知識冗余。第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五5.視覺冗余人眼具有視覺非均勻特性，對視覺不敏感的信息可以適當(dāng)?shù)厣釛墶Ｔ谟涗浽嫉膱D像數(shù)據(jù)時(shí)，通常假定視覺系統(tǒng)是線性的和均勻的，對視覺敏感和不敏感的部分同等對待，從而產(chǎn)生了比理想編碼(即把視覺敏感和不敏感的部分區(qū)分開來編碼)更多的數(shù)據(jù)，這就是視覺冗余。人眼對圖像細(xì)節(jié)、幅度變化和圖像的運(yùn)動并非同時(shí)具有最高的分辨能力。第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五視頻信號的數(shù)字化模擬電視信號(包括視頻和音頻)通過取樣、量化后編碼為二進(jìn)制數(shù)字信號的過程稱為模數(shù)變換(A／D變換)或脈沖編碼調(diào)制(PCM，PulseCodingModulation)，所得到的信號也稱為PCM信號，其過程可用圖1(a)表示。若取樣頻率等于fs、用n比特量化，則PCM信號的碼率為nfs(比特／s)。PCM編碼既可以對彩色全電視信號直接進(jìn)行，也可以對亮度信號和兩個(gè)色差信號分別進(jìn)行，前者稱為全信號編碼，后者稱為分量編碼。第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五 PCM信號經(jīng)解碼和插入濾波恢復(fù)為模擬信號，如圖1(b)所示，解碼是編碼的逆過程，插入濾波是把解碼后的信號插補(bǔ)為平滑、連續(xù)的模擬信號。這兩個(gè)步驟合稱為數(shù)模變換（D／A變換）或PCM解碼。第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五圖1電視信號的數(shù)字化和復(fù)原(a)A/D變換；(b)D/A變換第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五1.奈奎斯特取樣定理

理想取樣時(shí)，只要取樣頻率大于或等于模擬信號中最高頻率的兩倍，就可以不失真地恢復(fù)模擬信號，稱為奈奎斯特取樣定理。模擬信號中最高頻率的兩倍稱為折疊頻率。2.亞奈奎斯特取樣按取樣定理，若取樣頻率fs小于模擬信號最高頻率fmax的2倍會產(chǎn)生混疊失真，但若巧妙地選擇取樣頻率，令取樣后頻譜中的混疊分量落在色度分量和亮度分量之間，就可用梳狀濾波器去掉混疊成分。第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3.均勻量化和非均勻量化

在輸入信號的動態(tài)范圍內(nèi)，量化間隔幅度都相等的量化稱為均勻量化或線性量化。對于量化間距固定的均勻量化，信噪比隨輸入信號幅度的增加而增加，在強(qiáng)信號時(shí)固然可把噪波淹沒掉，在弱信號時(shí)，噪波的干擾就十分顯著。為改善弱信號時(shí)的信噪比，量化間距應(yīng)隨輸入信號幅度而變化，大信號時(shí)進(jìn)行粗量化，小信號時(shí)進(jìn)行細(xì)量化，也就是采用非均勻量化(或稱非線性量化)。第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五ITU-RBT.601分量數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字視頻信號是將模擬視頻信號經(jīng)過取樣、量化和編碼后形成的。模擬電視有PAL、NTSC等制式，必然會形成不同制式的數(shù)字視頻信號，不便于國際數(shù)字視頻信號的互通。1982年10月,國際無線電咨詢委員會(CCIR，ConsultativeCommitteeforInternationalRadio)通過了第一個(gè)關(guān)于演播室彩色電視信號數(shù)字編碼的建議，1993年變更為ITU-R(國際電聯(lián)無線電通信部分，InternationalTelecommunicationsUnion-RadiocommunicationsSector)BT.601分量數(shù)字系統(tǒng)建議。第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五

BT.601建議采用了對亮度信號和兩個(gè)色差信號分別編碼的分量編碼方式，對不同制式的信號采用相同的取樣頻率13.5MHz，與任何制式的彩色副載波頻率無關(guān)，對亮度信號Y的取樣頻率為13.5MHz。由于色度信號的帶寬遠(yuǎn)比亮度信號的帶寬窄，對色度信號U和V的取樣頻率為6.75MHz。每個(gè)數(shù)字有效行分別有720個(gè)亮度取樣點(diǎn)和360×2個(gè)色差信號取樣點(diǎn)。對每個(gè)分量的取樣點(diǎn)都是均勻量化，對每個(gè)取樣進(jìn)行8比特精度的PCM編碼。

第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五這幾個(gè)參數(shù)對525行、60場／秒和625行50場／秒的制式都是相同的。有效取樣點(diǎn)是指只有行、場掃描正程的樣點(diǎn)有效，逆程的樣點(diǎn)不在PCM編碼的范圍內(nèi)。因?yàn)樵跀?shù)字化的視頻信號中，不再需要行、場同步信號和消隱信號，只要有行、場(幀)的起始位置即可。例如，對于PAL制，傳輸所有的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，大約需要200Mb／s的傳輸速率，傳輸有效樣點(diǎn)只需要160Mb／s左右的速率。色度信號的取樣率是亮度信號取樣率的一半，常稱作4∶2∶2格式，可以理解為每一行里的Y、U、V的樣點(diǎn)數(shù)之比為4∶2∶2。第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五壓縮編碼技術(shù)熵編碼

熵編碼(EntropyCoding)是一類無損編碼，因編碼后的平均碼長接近信源的熵而得名。熵編碼多用可變字長編碼(VLC，VariableLengthCoding)實(shí)現(xiàn)。其基本原理是對信源中出現(xiàn)概率大的符號賦以短碼，對出現(xiàn)概率小的符號賦以長碼，從而在統(tǒng)計(jì)上獲得較短的平均碼長。所編的碼應(yīng)是即時(shí)可譯碼，某一個(gè)碼不會是另一個(gè)碼的前綴，各個(gè)碼之間無需附加信息便可自然分開。第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五霍夫曼(Huffman)編碼霍夫曼（Huffman）編碼是一種可變長編碼,編碼方法如圖2所示。(1)將輸入信號符號以出現(xiàn)概率由大至小為序排成一列。(2)將兩處最小概率的符號相加合成為一個(gè)新概率，再按出現(xiàn)概率的大小排序。(3)重復(fù)步驟(2)，直至最終只剩兩個(gè)概率。(4)編碼從最后一步出發(fā)逐步向前進(jìn)行，概率大的符號賦予“0”碼，另一個(gè)概率賦予“1”碼，直至到達(dá)最初的概率排列為止。第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五圖2霍夫曼(Huffman)編碼第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五其他使用比較多的熵編碼1、算術(shù)編碼

Huffman編碼的每個(gè)代碼都要使用一個(gè)整數(shù)位，因此它的效率較低。與其相比，算術(shù)編碼并不為每個(gè)符號產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的代碼，而是使整條信息公用一個(gè)代碼，增加到信息上的每個(gè)新符號都遞增地修改輸出代碼。2、游程編碼 游程編碼RLC（RunLengthCoding）是一種簡單地壓縮方法，它將數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)地字符用單一地記號來表示。游程編碼地壓縮率不高，但編碼、解碼地速度快，因而仍得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在變換編碼及進(jìn)行Z字形掃描后，再進(jìn)行游程編碼，會有很好的效果。第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五預(yù)測編碼和變換編碼1.DPCM原理基于圖像的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的基本方法就是預(yù)測編碼。它是利用圖像信號的空間或時(shí)間相關(guān)性，用已傳輸?shù)南袼貙Ξ?dāng)前的像素進(jìn)行預(yù)測，然后對預(yù)測值與真實(shí)值的差——預(yù)測誤差進(jìn)行編碼處理和傳輸。目前用得較多的是線性預(yù)測方法，全稱為差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM，DifferentialPulseCodeModulation)，簡稱為DPCM。第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五 利用幀內(nèi)相關(guān)性(像素間、行間的相關(guān))的DPCM稱為幀內(nèi)預(yù)測編碼。如果對亮度信號和兩個(gè)色差信號分別進(jìn)行DPCM編碼，對亮度信號采用較高的取樣率和較多位數(shù)編碼，對色差信號用較低的取樣率和較少位數(shù)編碼，構(gòu)成時(shí)分復(fù)合信號后再進(jìn)行DPCM編碼，這樣做使總碼率更低。第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五 利用幀間相關(guān)性(鄰近幀的時(shí)間相關(guān)性)的DPCM被稱為幀間預(yù)測編碼，因幀間相關(guān)性大于幀內(nèi)相關(guān)性，其編碼效率更高。若把這兩種DPCM組合起來，再配上變字長編碼技術(shù)，能取得較好的壓縮效果。DPCM是圖像編碼技術(shù)中研究得最早，且應(yīng)用最廣的一種方法，它的一個(gè)重要的特點(diǎn)是算法簡單，易于硬件實(shí)現(xiàn)。圖3（a）是它的示意圖，編碼單元主要包括線性預(yù)測器和量化器兩部分。第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五編碼器的輸出不是圖像像素的樣值f(m，n)，而是該樣值與預(yù)測值g(m，n)之間的差值，即預(yù)測誤差e(m，n)的量化值E(m，n)。根據(jù)圖像信號統(tǒng)計(jì)特性的分析，給出一組恰當(dāng)?shù)念A(yù)測系數(shù)，使預(yù)測誤差主要分布在“0”附近，經(jīng)非均勻量化，采用較少的量化分層，圖像數(shù)據(jù)得到壓縮。而量化噪聲又不易被人眼所覺察，圖像的主觀質(zhì)量并不明顯下降。圖3（b）是DPCM解碼器，其原理和編碼器剛好相反。第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五 圖-3DPCM原理(a)DPCM編碼器；(b)DPCM解碼器第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五2.變換編碼原理圖像變換編碼是將空間域里描述的圖像，經(jīng)過某種變換(如傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換等)在變換域中進(jìn)行描述。這樣可以將圖像能量在空間域的分散分布變?yōu)樵谧儞Q域的相對集中分布，便于用“Z”(zig-zag)字形掃描、自適應(yīng)量化、變長編碼等進(jìn)一步處理，完成對圖像信息的有效壓縮。 典型的變換編碼有離散余弦變化（DCT）DCT也有快速算法，F(xiàn)DCT，在圖像編碼的應(yīng)用中，大都采用二維DCT第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五混合編碼 混合編碼是近年來廣泛采用的方法，這種方法充分利用各種單一壓縮方法的長處，以期在壓縮比和效率之間取得最佳的平衡。如廣泛流行的JPEG和MPEG壓縮方法都是典型的混合編碼方案。第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五靜止圖像壓縮 靜止圖像是指內(nèi)容不變的圖像，也可能是不活動場景圖像或活動場景圖像在某一瞬時(shí)的“凍結(jié)”圖像。靜止圖像編碼是指對單幅圖像的編碼。靜止圖像用于傳送文件、模型、圖片和現(xiàn)場的實(shí)況監(jiān)視圖像。實(shí)況監(jiān)視每隔一定時(shí)間間隔更換一幅新的圖像，可以不連續(xù)地看到現(xiàn)場的情況，是一種準(zhǔn)實(shí)時(shí)的監(jiān)視。 靜止圖像的主要編碼方法是DPCM和變換編碼，由于小波變換編碼在靜止圖像的壓縮中取得了重大進(jìn)展，在新標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000和MPEG-4中均采用小波變換編碼。

第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五活動圖像編碼 活動圖像的壓縮編碼利用每幅圖像內(nèi)部的相關(guān)性進(jìn)行幀內(nèi)壓縮編碼，有變換編碼和預(yù)測編碼兩種基本類型；還利用相鄰幀之間的相關(guān)性進(jìn)行幀間壓縮編碼，主要是運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測和混合編碼。混合編碼是變換編碼和預(yù)測編碼相結(jié)合的編碼方法。MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)都采用了混合編碼方案。第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五圖-4活動圖像數(shù)字傳輸系統(tǒng)第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五圖像編碼分為下面幾個(gè)應(yīng)用層次（1）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視：圖像分辨率為720×576，采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。（2）會議電視：圖像分辨率為352×288，采用ITU-H.261標(biāo)準(zhǔn)。（3）數(shù)字影碟機(jī)等：圖像分辨率352×288，國際標(biāo)準(zhǔn)為MPEG-1。（4）可視點(diǎn)話：圖像分辨率176×144，采用ITU-H.263標(biāo)準(zhǔn)。（5）高清晰度電視：圖像分辨率1920×1080，具有兩倍于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的水平和垂直清晰度，采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，碼率約為20Mb/s第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五音頻壓縮技術(shù) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，音頻信號中存在著多種時(shí)域冗余和頻域冗余，可以將其進(jìn)行壓縮。根據(jù)人耳的聽覺特性，也能對其進(jìn)行壓縮。 兩種音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)：（1）MUSICAM：編碼叫做掩蔽型自適應(yīng)通用子頻帶綜合編碼與復(fù)用。MUSICAM不僅采用了子帶編碼、變換編碼等頻域措施，而且還充分利用了人耳的聽覺特性。（2）AC-3：美國高級電視制式委員會（ATSC）規(guī)定，電視伴音壓縮標(biāo)準(zhǔn)是杜比實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的AC-3系統(tǒng)。該系統(tǒng)的音效為高保真立體環(huán)繞聲。目前市場流行的稱為“家庭影院”的音響系統(tǒng)多數(shù)采用此標(biāo)準(zhǔn)。

第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五多路復(fù)用 多路復(fù)用分為節(jié)目復(fù)用和系統(tǒng)復(fù)用兩種。前者是將一路數(shù)字電視節(jié)目的視頻、音頻和數(shù)據(jù)等各種媒體流按照一定的方法時(shí)分復(fù)用成一個(gè)單一的數(shù)據(jù)流。后者是將各路數(shù)字電視節(jié)目的數(shù)據(jù)流進(jìn)行再復(fù)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)目間的動態(tài)帶寬分配，并提供各種增值業(yè)務(wù)。第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五節(jié)目復(fù)用1、PES包 MPEG-2的結(jié)構(gòu)可分為壓縮層和系統(tǒng)層。一路節(jié)目的視頻、音頻及其它輔助數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字化后，通過壓縮層完成信源壓縮編碼，分別形成視頻、音頻和其它輔助數(shù)據(jù)的基本流ES（ElementaryStream）。接著，系統(tǒng)層將不同的基本流分別加包頭打包為PES包。PES又稱為分組基本碼流。2、TS包 為了進(jìn)行多路數(shù)字節(jié)目流的復(fù)用和有效傳輸，又將PES包作為負(fù)載分別插入傳送流TS（TransportStream）包中。第47頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五系統(tǒng)復(fù)用 在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，一路常規(guī)的模擬電視信道中可傳送多路數(shù)字電視節(jié)目，在調(diào)制之前要將多路節(jié)目的TS流進(jìn)行再復(fù)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)目間的動態(tài)帶寬分配，提高各種增值業(yè)務(wù)，以適合傳輸?shù)男枰＿@種多路節(jié)目的復(fù)用常稱為系統(tǒng)復(fù)用。視頻PES音頻PES輔助數(shù)據(jù)PES增值業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)PES節(jié)目復(fù)用1TS1節(jié)目復(fù)用4TS4系統(tǒng)復(fù)用PSI和SI數(shù)據(jù)TS，包含PAT，PID＝0增值業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)TS信道編碼節(jié)目復(fù)用和系統(tǒng)復(fù)用示意圖第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五信道編碼信道編碼的作用： 大家知道，在信源編碼處理中是將演播室給出的圖像信號數(shù)據(jù)流中的空間信息冗余和時(shí)間信息冗余大量刪除，從而降低了總的數(shù)據(jù)率，提高了信息量效率。另一方面，經(jīng)信源編碼的去冗余而提高信源的信息熵后，數(shù)字信號的抗干擾能力明顯下降，很容易受到傳輸通道中引入的噪聲，多經(jīng)反射和衰落等的影響而造成接收端發(fā)生程度不同的誤碼，也就是說，快速傳輸與可靠傳輸是相互矛盾的。 于是，在信源編碼基礎(chǔ)上為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，又需要在載波調(diào)制之前對數(shù)字基帶信號進(jìn)行某種編碼，這就是信道編碼。第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五總體上看，信道編碼一般有下列要求：（1）增加盡可能少的數(shù)據(jù)率而可獲得較強(qiáng)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，即編碼率高，抗干擾能力強(qiáng)；（2）對數(shù)字信號有良好的透明性，也即傳輸通道對于傳輸?shù)臄?shù)字信號內(nèi)容沒有任何限制；（3）傳輸信號的頻譜特性與傳輸信道的通頻帶有最佳的匹配性；（4）編碼信號內(nèi)包含有正確的數(shù)據(jù)定時(shí)信息和幀同步信息，以便接收端準(zhǔn)確地解碼；（5）編碼地?cái)?shù)字信號具有適當(dāng)?shù)仉娖椒秶唬?）發(fā)生誤碼時(shí)，誤碼地?cái)U(kuò)散蔓延小。 最主要的概括為兩點(diǎn)。其一，附加一些數(shù)據(jù)信息以實(shí)現(xiàn)最大的檢錯(cuò)檢錯(cuò)能力；其二，數(shù)據(jù)流的頻譜特性適應(yīng)傳輸通道的通頻帶特性，以求信號能量傳輸時(shí)損失最小。第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五差錯(cuò)控制編碼 要消除誤碼造成接收端獲得的信息發(fā)生差錯(cuò)的影響，需要在信道編碼中實(shí)施差錯(cuò)控制，以使得出現(xiàn)誤碼時(shí)接收端能夠檢知并予以糾正，這就是差錯(cuò)控制編碼。 為了能判斷發(fā)送的信息是否有誤，可以在發(fā)送時(shí)增加必要的附近數(shù)據(jù)。又為了能糾正一定程度的錯(cuò)誤，就需要增加更多的附加數(shù)據(jù)。這些附加數(shù)據(jù)在不發(fā)生誤碼的情況下，是完全多余的，但若發(fā)生誤碼，便可利用信息數(shù)據(jù)與附加數(shù)據(jù)之間特定的關(guān)系實(shí)現(xiàn)誤碼檢知和誤碼糾正，就就是差錯(cuò)控制編碼的基本原理。換言之，為使信源代碼具有檢錯(cuò)糾錯(cuò)的能力，應(yīng)按一定規(guī)則在信源編碼數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加一些冗余（又稱監(jiān)督碼或檢驗(yàn)碼），使監(jiān)督碼元與信息碼元之間建立一種確定的關(guān)系，發(fā)送端完成這項(xiàng)任務(wù)的過程就稱為差錯(cuò)控制編碼。第51頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五差錯(cuò)控制編碼的方式 隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，已研究開發(fā)出建立在不同的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的多種差錯(cuò)控制編碼方式。他們具有各種各樣的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)特性，適用于不同的場合，總體上有以下三種方式。1、反饋重發(fā)（ARQ，自動重發(fā)請求）方式；2、前向糾錯(cuò)（FEC）方式；3、混和糾錯(cuò)（HEC）方式；第52頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五糾錯(cuò)碼隨機(jī)誤碼糾錯(cuò)碼突發(fā)誤碼糾錯(cuò)碼分組碼卷積碼分組碼交織碼線性碼非線性碼系統(tǒng)卷積碼非系統(tǒng)卷積碼比特交織碼字節(jié)交織碼循環(huán)碼非循環(huán)碼BCH碼RS碼奇偶校驗(yàn)碼漢明碼圖5、糾錯(cuò)碼的分類第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字調(diào)制技術(shù) 信道編碼后的數(shù)據(jù)信號除了一般的基帶傳輸方式外，要做長距離的傳送、發(fā)射時(shí)，必須通過調(diào)制措施對高頻載波進(jìn)行特定方式的調(diào)制后以已調(diào)波向外傳輸。 數(shù)字調(diào)制中，由時(shí)間上離散和幅度上離散的數(shù)字信號改變載波信號的某個(gè)參量，使載波信號作相應(yīng)的離散變化。高頻載波可受到幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK或相移鍵控PSK。這三種調(diào)制方式對應(yīng)于模擬調(diào)制中的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五1、正交幅度調(diào)制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）：正交幅度調(diào)制也稱正交幅移鍵控。這種鍵控由兩路數(shù)字基帶信號對正交的兩個(gè)載波調(diào)制合成而得到的。2、四相相移鍵控QPSK（QuaternaryPhaseShiftKeying）：在QPSK中，數(shù)字序列相繼兩個(gè)碼元的4種組合對應(yīng)4各不同相位的正弦載波。3、網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM（TrellisCodeModulation）：網(wǎng)格編碼調(diào)制將糾錯(cuò)編碼和調(diào)制作為一個(gè)整體來考慮。4、殘留邊帶VSB（VestigialSide－Band）調(diào)制，就是用調(diào)幅信號抑制載波，并且兩個(gè)邊帶信號中一個(gè)邊帶幾乎完全通過而另一個(gè)只有少量殘留部分通過。第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視的接收 數(shù)字電視接收機(jī)有衛(wèi)星、有線和地面廣播三種不同的類型，適用于不同的傳輸信道。它們在系統(tǒng)的視頻、音頻和數(shù)據(jù)的解復(fù)用方面和信源解碼方面都是相同的，都遵循MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IEC13818-1)、MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IEC13818-2)和MPEG-2音頻標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IEC13818-3)。（ATSC的音頻為DolbyAC-3多聲道環(huán)繞聲方案）。三種數(shù)字電視信號接收機(jī)的主要區(qū)別是在信道解碼和解調(diào)方面。第56頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視接收機(jī)的解復(fù)用解碼方框圖第57頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字電視機(jī)頂盒機(jī)頂盒(STB，SetT